DE112005003382T5

DE112005003382T5 - Photodiode having a heterojunction between semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and silicon

Info

Publication number: DE112005003382T5
Application number: DE112005003382T
Authority: DE
Inventors: Katsuya Uji Shimizu
Original assignee: Kodenshi Corp
Current assignee: Kodenshi Corp
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2007-12-13
Also published as: WO2006080099A1; CN101111944A; CN100517770C; JPWO2006080099A1; US20080116454A1; KR20070115901A

Abstract

Fotodiode mit einem Heteroübergang zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und Silizium, welche aufweist:
Silizium vom n-Typ; und
einen halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm, der auf dem Silizium vom n-Typ gebildet ist, wobei das Silizium vom n-Typ als ein Kathodenbereich dient und in seinem oberen Teil eine Inversionsschicht vom p-Typ enthält, die gebildet ist durch den Kontakt zwischen dem Silizium vom n-Typ und dem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm, der auf dem Silizium vom n-Typ gebildet ist, wobei die Inversionsschicht vom p-Typ als ein Lichtempfangsbereich und ein Anodenbereich dient.A photodiode having a heterojunction between a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and silicon, comprising:
N-type silicon; and
a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on the n-type silicon, wherein the n-type silicon serves as a cathode region and contains in its upper part a p-type inversion layer formed by the contact between the n-type silicon and the semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on the n-type silicon, wherein the p-type inversion layer serves as a light receiving region and an anode region.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fotodiode mit einer neuen Struktur, insbesondere eine Fotodiode mit einem Lichtempfangsbereich, der durch einen Heteroübergang zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und Silizium gebildet ist, ungeachtet dessen, ob das Silizium vom n-Typ oder p-Typ ist.The The present invention relates to a photodiode having a new structure, in particular a photodiode with a light receiving area, through a heterojunction between a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and Silicon is formed, regardless of whether the n-type silicon or p-type.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Mit dem Auftreten einer fortgeschrittenen Informationsgesellschaft nimmt die übertragene und gespeicherte Informationsmenge ständig zu, und die Geschwindigkeit der Informationsübertragung nimmt ebenfalls je des Jahr zu. Unter diesen Umständen hat, zusammen mit der breiten Verwendung von DVD eine optische Vorrichtung, die eine wichtige Schlüsselvorrichtung für DVD ist und einen blauen Laser anstelle eines roten Lasers verwendet, die Entwicklungsphase verlassen und ist in praktischen Gebrauch gekommen, um DVD mit einer höheren Dichte wie Hochauflösungs-DVD zu unterstützen.With the emergence of an advanced information society the transferred and stored information constantly increasing, and the speed the information transfer Also increases each year. Under these circumstances, together with the wide use of DVD an optical device, which is an important key device for DVD is and uses a blue laser instead of a red laser leave the development phase and is in practical use come to DVD with a higher Density like high-definition DVD to support.

Die Wellenlänge von für derartige DVD verwendetem Laserlicht ist eine blauviolette Wellenlänge (05 nm). Zusammen mit dem praktischen Gebrauch eines blauen Lasers ist es absolut erforderlich, das Leistungsvermögen einer lichtempfangenden Vorrichtung zum Erfassen eines blauen Lasers zu erhöhen. Gegenwärtig wird eine Fotodiode grundsätzlich verwendet als eine lichtempfangende Vorrichtung zum Empfangen von Licht im Bereich von Blau bis Infrarot oder als eine lichtempfangende Vorrichtung für eine integrierte Schaltung. Eine herkömmliche Fotodiode hat grundsätzlich einen pn-Übergang, der durch Dotieren mit Verunreinigungen vom p-Typ oder n-Typ durch Diffusion oder Ionenimplantation gebildet ist.The wavelength from for Such DVD used laser light is a blue-violet wavelength (05 nm). It is together with the practical use of a blue laser absolutely necessary, the power of a light-receiving Increase device for detecting a blue laser. At present becomes a photodiode basically used as a light-receiving device for receiving Light ranging from blue to infrared or as a light-receiving Device for an integrated circuit. A conventional photodiode basically has one pn junction, by doping with p-type or n-type impurities Diffusion or ion implantation is formed.

Ein blauer Laser wird nahezu absorbiert durch die Zeit, wenn er eine Tiefe von etwa 1000 Å von der Oberfläche eines Siliziumsubstrats erreicht. Daher ist es in dem Fall einer Fotodiode, die Silizium vom n-Typ verwendet und einen mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich vom p-Typ hat, um die Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge von blauem Licht oder weniger zu verbessern, erforderlich, die Konzentration der Verunreinigung vom p-Typ in dem Bereich vom p-Typ nicht zu hoch zu machen und die Übergangstiefe sehr seicht zu machen, um die Lebensdauer von Trägern zu erhöhen. Jedoch wird in ei nem Fall, in welchem ein Übergang mit einer seichten Übergangstiefe unter Verwendung eines Bereichs vom p-Typ, der mit Verunreinigungen dotiert ist, deren Konzentration nicht zu hoch ist, gebildet ist, der Widerstand der Oberfläche eines Siliziumsubstrats erhöht, wodurch das große Problem geschaffen wird, dass das Ansprechen langsamer wird aufgrund einer Erhöhung der CR-Zeitkonstanten.One blue laser is almost absorbed by the time when he has a Depth of about 1000 Å from the surface reached a silicon substrate. Therefore, it is in the case of one Photodiode using n-type silicon and has a p-type impurity doped p-type region, around the sensitivity for Light with a short wavelength of blue light or less to improve, the concentration required the p-type impurity in the p-type region is not too high to make and the transition depth very shallow to increase the life of wearers. However, in one case, in which a transition with a shallow transition depth using a p-type region doped with impurities is, whose concentration is not too high, is formed, the resistance the surface of a Silicon substrate increases, making the big one Problem is created that the response is slower due to an increase the CR time constant.

Andererseits tritt in einem Fall, in welchem ein mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen dotierter Bereich vom p-Typ gebildet ist, um eine derartige Zunahme des Widerstands zu unterdrücken, ein anderes Problem dahingehend auf, dass die Lebensdauer von Trägern verkürzt wird, wodurch die Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge wie blaues Licht beträchtlich verringert wird. Zusätzlich werden Träger durch Akzeptorionen zerstreut, die durch Dotieren von Verunreinigungen mit hoher Konzentration erzeugt werden, und daher ist die Mobilität der Träger verringert und das Ansprechen wird verlangsamt. Aus diesen Gründen ist es in dem Fall einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode eine Tatsache, dass ein Versuch zum Finden eines Kompromisses zwischen einer Übergangstiefe und der Konzentration von Verunreinigungen zum Dotieren gemacht wurde. Weiterhin ist es unausweichlich, wenn eine derartige herkömmliche, mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode mit Infrarotlicht bestrahlt wird, dass die Mobilität von Trägern durch die Dotierung mit Verunreinigungen herabgesetzt wird, wodurch sich Beschränkungen hinsichtlich der Frequenzansprechcharakteristiken der Fotodiode ergeben. Das Gleiche gilt für eine Fotodiode, die Silizium vom p-Typ verwendet und einen mit Verunreinigungen oder Störstellen vom n-Typ dotierten Bereich vom n-Typ hat.

Patent Dokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. H9-237912

On the other hand, in a case where a p-type region doped with a high concentration of impurities is formed to suppress such an increase in resistance, another problem occurs in that the lifetime of carriers is shortened, thereby increasing the sensitivity for light with a short wavelength, as blue light is considerably reduced. In addition, carriers are scattered by acceptor ions generated by doping impurities of high concentration, and therefore the mobility of the carriers is reduced and the response is slowed down. For these reasons, in the case of a conventional impurity-doped photodiode, it is a fact that an attempt has been made to find a compromise between a junction depth and the concentration of impurities for doping. Further, when such a conventional impurity-doped photodiode is irradiated with infrared light, it is inevitable that the mobility of carriers is reduced by doping with impurities, thereby resulting in limitations on the frequency response characteristics of the photodiode. The same applies to a photodiode using p-type silicon and having an n-type doped n-type impurity or impurity region.

Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H9-237912

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Wie vorstehend beschrieben ist, hat eine herkömmliche, mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode das unvermeidbare Problem, das mit der Dotierung von Verunreinigungen verbunden ist, d.h., ein Problem der Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht mit einem kurzen Wellenlängenbereich wie blaues Licht. Zusätzlich hat eine derartige herkömmliche, mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode ebenfalls das Problem der Herabsetzung der Ansprechgeschwindigkeit aufgrund des Zerstreuens von Trägern durch durch die Dotierung mit Verunreinigungen erzeugte Ionen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gleichzeitig die vorgenannte Probleme zu lösen und eine Fotodiode vorzusehen, die sowohl eine sehr hohe Empfindlichkeit für Licht im Bereich von Ultraviolett bis Infrarot als auch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit hat.As described above, a conventional impurity-doped photodiode has the unavoidable problem associated with the impurity doping, that is, a problem of lowering the sensitivity for short-wavelength light such as blue light. In addition, such a conventional impurity-doped photodiode also has the problem of lowering the response speed due to the diffusion of carriers through the dopant Impurities generated ions. It is therefore an object of the present invention to simultaneously solve the aforementioned problems and to provide a photodiode having both a very high sensitivity for light in the range of ultraviolet to infrared and a high response speed.

Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung auf eine Fotodiode mit einem Heteroübergang zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und Silizium gerichtet, welche aufweist:
Silizium vom n-Typ; und
einen halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm, der auf dem Silizium vom n-Typ gebildet ist, wobei das Silizium vom n-Typ als ein Kathodenbereich dient und in seinem oberen Teil eine Inversionsschicht vom p-Typ enthält, die durch den Kontakt zwischen dem Silizium vom n-Typ und dem auf dem Silizium vom n-Typ gebildeten halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm gebildet ist, wobei die Inversionsschicht vom p-Typ als ein Lichtempfangsbereich und ein Anodenbereich dient.In order to achieve the above object, the present invention is directed to a photodiode having a heterojunction between a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and silicon, which comprises:
N-type silicon; and
a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on the n-type silicon, wherein the n-type silicon serves as a cathode region and in its upper part contains a p-type inversion layer formed by contact between the silicon and the n-type semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on the n-type silicon, wherein the p-type inversion layer serves as a light receiving region and an anode region.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Inversionsschicht vom p-Typ als ein Lichtempfangsbereich einen überlappenden Bereich mit einem mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich hat, der als ein ohmscher Bereich für den Lichtempfangsbereich dient.at In the present invention, it is preferable that the inversion layer of p-type as a light receiving area, an overlapping area with a having impurities of the p-type doped region, which serves as a ohmic range for the light receiving area is used.

Weiterhin ist es bei der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt, dass der halbisolierende Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm teilweise aus Zinkoxid mit niedrigem Widerstand zusammengesetzt ist und dass das Zinkoxid mit niedrigem Widerstand über eine für das Zinkoxid mit niedrigem Widerstand gebildete Elektrode mit dem mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich verbunden ist.Farther it is also preferred in the present invention that the semi-insulating Zinc oxide semiconductor thin film partially composed of low resistance zinc oxide and that the low resistance zinc oxide over one for the Zinc oxide formed with low resistance electrode with the Impurities of the p-type doped region is connected.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Fotodiode mit einem Heteroübergang zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und Silizium gerichtet, welche aufweist:
Silizium vom p-Typ; und
einen halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm, der auf dem Silizium vom p-Typ gebildet ist, wobei das Silizium vom p-Typ und der halbisolierende Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm einen Heteroübergang zwischen sich bilden, der als ein Lichtempfangsbereich dient, wobei der Lichtempfangsbereich einen überlappenden Bereich mit einem mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereich hat, der in dem Silizium vom p-Typ gebildet ist, um einen Fotostrom aus diesem herauszuziehen.Another aspect of the present invention is directed to a photodiode having a heterojunction between a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and silicon, comprising:
P-type silicon; and
a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on the p-type silicon, wherein the p-type silicon and the semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film form a heterojunction between them serving as a light receiving area, the light receiving area having a has overlapping region with an n-type impurity doped region formed in the p-type silicon to extract a photocurrent therefrom.

Die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, die die vorbeschriebene Struktur hat, hat die folgenden Wirkungen. Die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, die Silizium vom n-Typ verwendet und eine Inversionsschicht vom p-Typ hat, die durch Bilden eines halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms auf dem Silizium vom n-Typ gebildet ist, kann ausgezeichnet und gleichzeitig zwei Probleme einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode lösen, d.h., ein Problem der Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht, insbesondere Licht mit einer kurzen Wellenlänge von blauem Licht oder weniger, und ein Problem der Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit. Wenn eine Fotodiode mit einem Siliziumsubstrat mit Licht mit einer kürzeren Wellenlänge bestrahlt wird, wird das Licht durch einen Bereich absorbiert, der näher an der Oberfläche des Siliziumsubstrats ist. Wenn beispielsweise die Fotodiode mit einem blauvioletten Laser mit einer Wellenlänge von 400 nm bestrahlt wird, werden 63% des blauvioletten Lasers in der Zeit absorbiert, in welchem es eine Tiefe von etwa 1300 Å erreicht, was eine Absorptionslänge für Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm ist, von der Oberfläche des Substrats. Daher muss eine Fotodiode für blaues Licht eine Übergangstiefe von 1000 Å oder weniger haben, während die Übergangstiefe einer Fotodiode für Licht mit einer relativ langen Wellenlänge wie rotem Licht bei etwa 1 Mikron liegt.The Photodiode according to the present invention Invention having the above-described structure has the following Effects. The photodiode according to the present invention Invention using n-type silicon and an inversion layer of p-type formed by forming a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on the n-type silicon can be excellent and simultaneously two problems of a conventional, with impurities solve doped photodiode, that is, a problem of lowering sensitivity to light, especially light with a short wavelength of blue light or less, and a problem of reducing the response speed. If a photodiode with a silicon substrate irradiated with light having a shorter wavelength the light is absorbed by an area closer to the surface of the silicon substrate. For example, if the photodiode with a blue-violet laser with a wavelength of 400 nm is irradiated, 63% of the blue-violet laser is absorbed in the time in which it reaches a depth of about 1300 Å, what an absorption length for light with one wavelength of 400 nm is from the surface of the substrate. Therefore, a blue light photodiode must have a junction depth of 1000 Å or have less while the transition depth a photodiode for Light with a relatively long wavelength like red light at about 1 micron lies.

Eine herkömmliche, mit Verunreinigungen dotierte Fo todiode benötigt eine geringe Übergangstiefe, um die Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge von blauem Licht oder weniger zu verbessern. Zusätzlich ist es auch erforderlich, die Konzentration von Verunreinigungen für die Dotierung nicht zu hoch zu machen, um eine Herabsetzung der Empfindlichkeit aufgrund einer Rekombination von Trägern zu verhindern und die Lebensdauer der Träger zu erhöhen. Jedoch bewirkt ein derartiger flacher Übergang, der durch Dotieren mit Verunreinigungen, deren Konzentration nicht zu hoch ist, gebildet ist, eine Zunahme des Widerstandswertes, was eine CR-Zeitkonstante vergrößert und daher das Ansprechen verzögert. Um ein schnelles Ansprechen zu erzielen, ist es erforderlich, einen mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen dotierten Bereich vom p-Typ zu bilden. Dies jedoch verkürzt beträchtlich die Lebensdauer von in dem Bereich mit Verunreinigungen hoher Konzentration nahe der Oberfläche eines Substrats erzeugten Trägern, was zu einer Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge führt. Zusätzlich bewirkt eine Dotierung mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen ein Zerstreuen der Träger durch Akzeptorionen. Dies reduziert die Mobilität der Träger und verlangsamt daher das Ansprechen, was zu verschlechterten Frequenzeigenschaften führt. Nach allem ist es erforderlich, einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge und der Ansprechgeschwindigkeit zu finden, die einander widersprechend sind. Jedoch ist es sehr schwierig, sowohl eine hohe Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge wie einen blauen Laser, als auch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit zu erzielen.A conventional impurity-doped photodiode needs a small junction depth to improve the sensitivity to light having a short wavelength of blue light or less. In addition, it is also necessary not to make the concentration of impurities for doping too high in order to prevent lowering of the sensitivity due to recombination of carriers and to increase the lifetime of the carriers. However, such a shallow junction formed by doping with impurities whose concentration is not too high causes an increase in the resistance value, which increases a CR time constant and therefore delays the response. In order to achieve a fast response, it is necessary to form a p-type region doped with a high concentration of impurities. However, this considerably shortens the life of carriers generated in the high-concentration impurity region near the surface of a substrate, resulting in lowering the sensitivity of short-wavelength light. In addition, doping with a high concentration of impurities causes scattering of the carriers by acceptor ions. This reduces the mobility of the carriers and therefore slows the response, resulting in degraded frequency characteristics. After all, it is necessary to find a compromise between sensitivity for short wavelength light and the response speed which are contradictory. However, it is very difficult to achieve both a high sensitivity for short wavelength light such as a blue laser and a high response speed.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die auf dem Si lizium vom n-Typ gebildete Zinkoxidschicht für Licht mit einer Wellenlänge, die länger als eine Bandkanten-Wellenlänge (375 nm) wie blaues Licht ist, durchlässig. Weiterhin ist, da die Inversionsschicht vom p-Typ als ein Bereich vom p-Typ in dem obersten Teil des Siliziums vom n-Typ aufgrund der Valenzbanddiskontinuität zwischen Zinkoxid und Silizium gebildet ist, der Lichtempfangsbereich mit keinen Verunreinigungen vom p-Typ dotiert, wodurch die Lebensdauer von durch Licht erzeugten Trägern beträchtlich erhöht wird. Eine derartige erhöhte Lebensdauer von Trägern und eine sehr flache Übergangstiefe von 100 Å oder weniger machen es bei der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine hohe Empfindlichkeit auch für Licht mit einer kurzen Wellenlänge wie blaues Licht zu haben.According to the present Invention is the silicon oxide formed on the n-type silicon zinc oxide layer for light with a wavelength, the longer as a band edge wavelength (375 nm) is like blue light, permeable. Furthermore, since the P-type inversion layer as a p-type region in the uppermost Part of the n-type silicon due to the valence band discontinuity between Zinc oxide and silicon is formed, the light receiving area with no impurities doped by the p-type, thereby increasing the life of light-generated carriers considerably elevated becomes. Such increased Lifespan of carriers and a very shallow transition depth of 100 Å or less do it with the photodiode according to the present invention possible, a high sensitivity also for Light with a short wavelength like to have blue light.

Weiterhin tritt, wie vorstehend beschrieben ist, da der Lichtempfangsbereich der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen vom p-Typ dotiert ist, eine Zerstreuung von Trägern durch Akzeptorionen überhaupt nicht auf, und daher sind Löcher in einem zweidimensional begrenzten Bereich mit einer Tiefe von 100 Å oder weniger vorhanden. Dies ermöglicht den Löchern, sich wie zweidimensionale Löcher zu verhalten, so dass ein schnelles Ansprechen erzielt wird. Die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine hohe Empfindlichkeit auch für Licht mit einer langen Wellenlänge in ihrem tiefen Bereich in dem Siliziumsubstrat wie in dem Fall einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode, aber die Leitung in der Inversionsschicht vom p-Typ wird durch Löcher, die sich wie zweidimensionale Löcher verhalten, durchgeführt, so dass ein schnelles Ansprechen erzielt wird (es ist festzustellen, dass Elektronen, die in einer Potenti alwanne begrenzt sind, mit einer Tiefe von etwa der de-Broglie-Wellenlänge von etwa 100 Å, und die einen begrenzten zweidimensionalen Freiheitsgrad haben, allgemein als "zweidimensionale Elektronen" bezeichnet werden, und derartige zweidimensionale Elektronen werden bei Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) angewendet, da sie in einer Hochwiderstandsschicht erzeugt werden und daher das Zerstreuen durch Verunreinigungen unterdrückt werden kann. In einem Fall, in welchem die Träger Löcher sind, werden die Löcher als "zweidimensionale Löcher" bezeichnet). Weiterhin ist es üblicherweise schwierig für Silizium, eine fotoelektrische Umwandlung unter Bestrahlung mit Ultraviolettlicht mit einer Wellenlänge, die kürzer als eine Bandkanten-Wellenlänge (375 nm) ist, durchzuführen, aber die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung kann wirksam eine fotoelektrische Umwandlung selbst unter Bestrahlung mit Ultraviolettlicht durchführen, da die Zinkoxidschicht Ultraviolettlicht absorbiert.Farther As described above, since the light receiving area the photodiode according to the present Invention is not doped with any p-type impurities is, a dispersion of vehicles by acceptor ions at all not on, and therefore are holes in a two-dimensionally delimited area with a depth of 100 Å or less available. this makes possible the holes, like two-dimensional holes to behave so that a quick response is achieved. The Photodiode according to the present invention The invention has a high sensitivity even for light having a long wavelength in its deep region in the silicon substrate as in the case of a conventional doped with impurities photodiode, but the line in the Inversion layer of p-type is through holes that are like two-dimensional holes behavior, performed, so that a quick response is achieved (it can be seen that electrons, which are limited in a Potenti alwanne, with a depth of about the de Broglie wavelength of about 100 Å, and the have a limited two-dimensional degree of freedom, in general be referred to as "two-dimensional electrons", and such two-dimensional electrons become transistors with high electron mobility (HEMT) because it produces in a high resistance layer and therefore the scattering by impurities can be suppressed can. In a case where the carriers are holes, the holes are called "two-dimensional Holes ") it is usually difficult for Silicon, a photoelectric conversion under irradiation with Ultraviolet light having a wavelength shorter than a band edge wavelength (375 nm), but the photodiode according to the present Invention can effectively take a photoelectric conversion even below Irradiation with ultraviolet light, as the zinc oxide layer Ultraviolet light absorbed.

Bei der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Inversionsschicht vom p-Typ ist das halbisolierende Zinkoxid isolierend, und daher gibt es einen Fall, in welchem die Inversionsschicht vom p-Typ durch Polarisationsladung destabilisiert wird. Die Destabilisierung der Inversionsschicht vom p-Typ aufgrund der Polarisation kann verhindert werden durch teilweises Verringern des Widerstands des halbisolierenden Zinkoxids und durch Verbinden des Bereichs mit niedrigem Widerstand des halbisolierenden Zinkoxids mit der Inversionsschicht vom p-Typ über einen mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich.at the photodiode according to the present Invention with a p-type inversion layer is the semi-insulating Zinc oxide insulating, and therefore there is a case in which the Inversion layer of p-type by Polarization charge is destabilized. The destabilization of P-type inversion layer due to polarization can be prevented by partially reducing the resistance of the semi-insulating zinc oxide and by connecting the low resistance region of the semi-insulating Zinc oxide with the p-type inversion layer over one with impurities p-type doped region.

Andererseits kann in dem Fall einer Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, enthaltend Silizium vom p-Typ und einen halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter, berücksichtigt werden, dass ein Heteroübergang zwischen dem Silizium vom p-Typ und dem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter eine Kanalschicht vom n-Typ in dem unteren Teil des halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiters bildet, und das Silizium vom p-Typ und die Kanalschicht vom n-Typ verleihen der Fotodiode Fotodiodeneigenschaften. Auch in dem Fall der Silizium vom p-Typ verwendenden Fotodiode ist der Lichtempfangsbereich nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen vom n-Typ dotiert. Daher hat, wie in dem Fall der Silizium vom n-Typ verwendenden Fotodiode die Silizium vom p-Typ verwendende Fotodiode auch eine hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Frequenzeigenschaften.on the other hand in the case of a photodiode according to the present invention, containing p-type silicon and a semi-insulating zinc oxide semiconductor, considered be that a heterojunction between the p-type silicon and the semi-insulating zinc oxide semiconductor an n-type channel layer in the lower part of the semi-insulating Zinc oxide semiconductor forms, and the p-type silicon and the N-type channel layer impart photodiode characteristics to the photodiode. Also in the case of the p-type silicon photodiode is the light receiving area not with any impurities doped n-type. Therefore, as in the case, the n-type silicon photodiode used, the photodiode using p-type silicon also a high sensitivity and excellent frequency characteristics.

Wie vorstehend beschrieben ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, gleichzeitig zwei Probleme einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode zu lösen, die mit der Dotierung mit Verunreinigungen verbunden sind, d.h., ein Problem der Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge und ein Problem der Herabsetzung der Ansprechgeschwindigkeit, und daher eine Fotodiode mit einer hohen Empfindlichkeit für Licht mit einer Wellenlänge in einem weiten Bereich von Ultraviolett bis Infrarot, einer hohen Ansprechgeschwindigkeit und ausgezeichneten Frequenzeigenschaften vorzusehen.As described above, it is according to the present invention possible, simultaneously two problems of a conventional, with impurities to solve doped photodiode, which are associated with doping with impurities, i. e. a problem of lowering the sensitivity to light with a short wavelength and a problem of lowering the response speed, and therefore, a photodiode having a high sensitivity to light with one wavelength in a wide range from ultraviolet to infrared, a high Response speed and excellent frequency characteristics provided.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Fotodiode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung zeigt; 1A Fig. 12 is a cross-sectional view schematically showing a photodiode according to a first embodiment of the present invention;

1B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils A, der in 1A gezeigt ist; 1B FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a part A shown in FIG 1A is shown;

2A zeigt eine Bandstruktur eines halbisolierenden Zinkoxid-Halleiters und von Silizium vor dem Kontakt; 2A shows a band structure of a semi-insulating zinc oxide semiconductor and silicon before contact;

2B zeigt ein Bandmodell des halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiters und des Siliziums vor dem Kontakt; 2 B shows a band model of the semi-insulating zinc oxide semiconductor and the silicon prior to contact;

2C zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines in 2B gezeigten Teils B; 2C shows an enlarged schematic view of an in 2 B shown part B;

3A bis 3C sind schematische Querschnittsansichten, die einen Vorrang zum Erzeugen der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustrieren. 3A to 3C 12 are schematic cross-sectional views illustrating a priority for producing the photodiode according to the first embodiment of the present invention.

4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Fotolumineszenzspektrum von bei der vorliegenden Erfindung verwendetem Zinkoxid zeigt; 4 Fig. 12 is a diagram showing an example of a photoluminescence spectrum of zinc oxide used in the present invention;

5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Röntgenstrahlen-Beugungsmuster von bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Zinkoxid zeigt; 5 Fig. 10 is a diagram showing an example of an X-ray diffraction pattern of zinc oxide used in the present invention;

6A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Eigenschaften der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; 6A Fig. 10 is a diagram showing an example of characteristics of the photodiode according to the first embodiment of the present invention;

6B ist eine schematische Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Messen der in 6A gezeigten Eigenschaften; 6B FIG. 12 is a schematic view for explaining a method of measuring the in. FIG 6A shown properties;

7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Spektralempfindlichkeitseigenschaften der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 7 Fig. 12 is a diagram showing an example of spectral sensitivity characteristics of the photodiode according to the present invention;

8A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Fotodiode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; 8A Fig. 12 is a cross-sectional view schematically showing a photodiode according to a second embodiment of the present invention;

8B ist eine teilweise weggeschnittene Draufsicht, die schematisch die in 8A gezeigte Fotodiode zeigt; 8B is a partially cutaway plan view schematically the in 8A shown photodiode shows;

8C ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 8A gezeigten Teils C, die schematisch die Arbeitsweise der in 8A gezeigten Fotodiode zeigt; 8C is an enlarged cross-sectional view of an in 8A Part C shown schematically the operation of in 8A shown photodiode shows;

9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Frequenzcharakteristiken der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; 9 Fig. 15 is a diagram showing an example of frequency characteristics of the photodiode according to the second embodiment of the present invention;

10 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Fotodiode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; 10 Fig. 12 is a cross-sectional view schematically showing a photodiode according to a third embodiment of the present invention;

11 ist eine Querschnittsansicht, die schematische eine Fotodiode gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; 11 Fig. 12 is a cross-sectional view schematically showing a photodiode according to a fourth embodiment of the present invention;

12A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Fotodiode gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; 12A Fig. 12 is a cross-sectional view schematically showing a photodiode according to a fifth embodiment of the present invention;

12B ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Eigenschaften einer in 12A gezeigten Kanalschicht vom n-Typ zeigt; 12B is a diagram that provides an example of properties of an in 12A shows the n-type channel layer shown;

12C ist eine schematische Ansicht zum Erläutern eines Verfahrens zum Messen der in 12B gezeigten Eigenschaften; und 12C FIG. 12 is a schematic view for explaining a method of measuring the in. FIG 12B shown properties; and

12D ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Eigenschaften der Fotodiode gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bestrahlung mit einem blauen Laser zeigt. 12D Fig. 10 is a diagram showing an example of characteristics of the photodiode according to the fifth embodiment of the present invention under irradiation with a blue laser.

BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGBEST WAY OF THE EXECUTION OF INVENTION

Nachfolgend wird eine Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Inversionsschicht vom p-Typ, die durch Bilden eines halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms vorgesehen ist, im Einzelnen mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele, die in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben. 1A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Fotodiode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Inversionsschicht vom p-Typ zeigt, und 1B ist eine vergrößerte Ansicht eines in 1A gezeigten Teils A. Wie in 1A gezeigt ist, hat die Fotodio de gemäß der vorliegenden Erfindung eine Struktur, bei der ein ausgezeichneter halbisolierender Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm 3 (nachfolgend als "halbisolierender ZnO-Dünnfilm 3" abgekürzt) auf Silizium 1 vom n-Typ durch Verwendung von gemustertem Siliziumdioxid 2 als einer Maske gebildet wird. Eine derartige sehr einfache Struktur ermöglicht es, eine Inversionsschicht 4 vom p-Typ in dem oberen Teil des Siliziums 1 vom n-Typ, der in Kontakt mit dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 ist, zu bilden, und die Inversionsschicht 4 vom p-Typ dient als ein Lichtempfangsbereich. Wie in 1B gezeigt ist, ist die als ein Lichtempfangsbereich dienende Inversionsschicht 4 vom p-Typ gebildet auf dem Silizium 1 vom n-Typ auf der Seite einer Grenzfläche zwischen dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 und dem Silizium 1 vom n-Typ aufgrund der Wirkung des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3.Hereinafter, a photodiode according to the present invention having a p-type inversion layer provided by forming a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film will be described in detail with reference to specific embodiments shown in the accompanying drawings. 1A FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a photodiode according to a first embodiment of the present invention having a p-type inversion layer; and FIG 1B is an enlarged view of an in 1A shown part A. As in 1A is shown, the Fotodio de according to the present invention, a structure in which an excellent semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film 3 (hereinafter referred to as "semi-insulating ZnO thin film 3 "abbreviated) on silicon 1 n-type by using patterned silica 2 is formed as a mask. Such a very simple structure allows an inversion layer 4 p-type in the upper part of the silicon 1 n-type in contact with the semi-insulating ZnO thin film 3 is to form, and the inversion layer 4 The p-type serves as a light receiving area. As in 1B is shown, serving as a light receiving area inversion layer 4 of p-type formed on the silicon 1 n-type on the side of an interface between the semi-insulating ZnO thin film 3 and the silicon 1 n-type due to the effect of the semi-insulating ZnO thin film 3 ,

Der Mechanismus der Bildung der Inversionsschicht 4 vom p-Typ, die als ein Lichtempfangsbereich dient, wird mit Bezug auf mögliche Bandmodelle, die in 2 gezeigt sind, beschrieben. 2A ist ein Energiepegeldiagramm zwischen dem Zinkoxid-Halbleiter und dem Silizium vom n-Typ, das mit einer geringen Menge von Verunreinigungen dotiert ist und einen hohen spezifischen Widerstand zu der Zeit hat, zu der sie voneinander getrennt sind. Wie aus 2A ersichtlich ist, besteht eine Energiedifferenz (ΔEc) von 0,19 eV zwischen dem Boden des Leitungsbands von Zinkoxid (E_cz) und dem von Silizium (E_cs), und es besteht eine sehr große Energiedifferenz (ΔeV) von 2,44 eV der Oberseite des Valenzbands von Zinkoxid (E_vz) und der von Silizium (E_vs). 2B zeigt ein Energiebandmodell zwischen dem Zinkoxid-Halbleiter und dem Silizium vom n-Typ, nachdem sie in Kontakt miteinander sind. Gemäß der Lehre der Halbleiterphysik stimmt, nachdem Zinkoxid und Silizium in Kontakt miteinander gebracht sind, der Fermin-Pegel von Zinkoxid (E_FZ) mit dem Fermin-Pegel von Silizium (E_FS) überein, so dass Zinkoxid und Silizium denselben Fermin-Pegel (E_F) haben. Daher treten Banddiskontinuitäten gemäß der Differenz in der Elektronenaffinität zwischen Zinkoxid (X_Z) und Silizium (X_s) und durch die Differenz in der Bandabstandsenergie zwischen Zinkoxid (E_gz) und Silizium (E_gs) auf. Diese Banddiskontinuitäten entsprechen ΔEc und ΔEv, die in 2 gezeigt sind, und ΔEc und ΔEv sind gleich in 2A gezeigten Werten. Es kann berücksichtigt werden, dass diese Werte tatsächlich durch einen Schnittstellenzustand in Abhängigkeit von den Bedingungen der Schnittstelle zwischen Zinkoxid und Silizium beeinflusst werden. Jedoch berücksichtigt das in 2 gezeigte Energiebandmodell nicht den Einfluss des Schnittstellenzustands.The mechanism of formation of the inversion layer 4 p-type serving as a light-receiving area will be described with reference to possible band models disclosed in U.S. Pat 2 are shown described. 2A is an energy level diagram between the zinc oxide semiconductor and the n-type silicon which is doped with a small amount of impurities and has a high resistivity at the time they are separated from each other. How out 2A It can be seen, there is an energy difference (.DELTA.Ec) of 0.19 eV between the bottom of the conduction band of zinc oxide (E _cz) and that of silicon (E _cs), and there is a very large difference in energy (Ev) of 2.44 eV Top of the valence band of zinc oxide (E _vz ) and that of silicon (E _vs ). 2 B Fig. 10 shows an energy band model between the zinc oxide semiconductor and the n-type silicon after being in contact with each other. According to the teaching of semiconductor physics, after zinc oxide and silicon are brought into contact with each other, the Fermin level of zinc oxide (E _FZ ) coincides with the Fermin level of silicon (E _FS ), so that zinc oxide and silicon have the same Fermin level ( E _F ) have. Therefore, band discontinuities occur _(gz E) and silicon (E _gs) according to the difference in the electron affinity between zinc oxide (X _Z) and silicon (X _s) and by the difference in the band gap energy between zinc oxide. These band discontinuities correspond to ΔEc and ΔEv, which in 2 and ΔEc and ΔEv are equal in 2A shown values. It can be considered that these values are actually affected by an interface state depending on the conditions of the interface between zinc oxide and silicon. However, that takes into account in 2 energy band model did not show the influence of the interface state.

Es kann berücksichtigt werden, dass ein Energieband (E_vs) an der Oberseite des Siliziumvalenzbands stark aufwärts gebogen ist aufgrund einer sehr großen Differenz zwischen der Energie der Oberseite des Valenzbands von Zinkoxid und der von Silizium (ΔEv), und daher wird das Silizium vom n-Typ in Silizium vom p-Typ invertiert. Als eine Folge können Löcher akkumuliert werden, wie in 2C gezeigt ist, die eine vergrößerte Ansicht eines in 2 gezeigten Teils B ist. In diesem Fall wird anders als bei einem MOS, bei dem eine Inversion elektrostatisch durch Anlegen einer Vorspannung an einen Oxidfilm erzielt wird, eine Inversion durch Banddiskontinuität erzielt, und daher können die Löcher konstant existieren ohne die Notwendigkeit des Anlegens einer Vorspannung. Jedoch ist es, um eine derartige Inversionsschicht vom p-Typ vorzusehen, erforderlich, direkt einen Zinkoxid- Halbleiter-Dünnfilm auf Silizium auszubilden, um einen Heteroübergang zwischen diesen zu bilden, was nicht einfach ist.It can be considered that an energy band (E _vs ) at the top of the silicon valence band is strongly bent upwards due to a very large difference between the energy of the top of the valence band of zinc oxide and that of silicon (ΔEv), and therefore the silicon becomes n Type inverted in p-type silicon. As a result, holes can be accumulated as in 2C shown is an enlarged view of an in 2 shown part B is. In this case, unlike a MOS in which inversion is achieved electrostatically by applying a bias to an oxide film, inversion by band discontinuity is achieved, and therefore, the holes can constantly exist without the necessity of applying a bias voltage. However, to provide such a p-type inversion layer, it is necessary to directly form a zinc oxide semiconductor thin film on silicon to form a heterojunction therebetween, which is not easy.

3A bis 3C zeigen schematisch den Vorgang der Herstellung der Fotodiode gemäß dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird ein Oxidfilm 2 auf einem Siliziumsubstrat 1 vom n-Typ in derselben Weise wie bei einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gebildet, und dann wird ein Bereich entsprechend einem als ein Lichtempfangsbereich dienenden Bereich vom p-Typ einer Musterätzung unterzogen (siehe 3A). Als Nächstes wird die Oberfläche des Wafers abgewaschen, und dann wird ein halbisolierender ZnO-Dünnfilm 3 auf der gesamten Oberfläche des Wafers gebildet (siehe 3B). Dieser Schritt des Bildens eines Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms ist sehr wichtig und wird daher nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es ist herkömmlich bekannt, dass Zinkoxid einen piezoelektrischen Effekt hat, und es wird vorgeschlagen, dass Zinkoxid Potential zur Verwendung in Ultraviolett-LEDs und Exiton-Lasern hat. Daher wird Zinkoxid von verschiedenen Forschungsinstituten aktiv untersucht als ein wichtiges Material für eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung der nächsten Generation. Jedoch wurde die Bildung eines Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms, der eine Bandkanten-PL-Emission zeigen kann, auf Silizium als sehr schwierig angesehen. Dies ergibt sich daraus, dass es erforderlich ist, eine Wachstumstemperatur hoch zu machen, um eine gute Kristallinität zu erhalten (z.B. 600°C oder höher). Dies fördert nicht nur die Oxidation einer Siliziumoberfläche, sondern auch das Auftreten von Übergängen aufgrund von Gitterverzerrung, und daher ist es unmöglich, einen guten kri stallinen Film aufzuwachsen. Um ein derartiges Problem zu lösen, wurde ein Versuch zum Aufwachsen von Zinkoxid auf einer Pufferschicht, die auf Silizium gebildet ist, um eine Rolle als eine Zwischenschicht zu spielen, allgemein durchgeführt (siehe beispielsweise Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften Nrn. 2001-44499 und 2003-165793). In diesem Fall ist ein Siliziumnitridfilm oder ein Kalziumfluoridfilm an der Grenzfläche zwischen Silizium und Zinkoxid vorgesehen, was nicht bevorzugt ist unter dem Gesichtspunkt der Verwendung der Eigenschaften eines Heteroübergangs zwischen Silizium und Zinkoxid. Unter diesen Umständen ist eine Vorrichtung, die eine Zinkoxid/Silizium-Heterostruktur verwendet, noch nicht im praktischen Gebrauch. 3A to 3C show schematically the process of manufacturing the photodiode according to the in 1 shown first embodiment of the present invention. First, an oxide film 2 on a silicon substrate 1 of the n-type is formed in the same manner as in a conventional method of manufacturing a semiconductor device, and then a region corresponding to a p-type region serving as a light-receiving region is pattern-etched (see 3A ). Next, the surface of the wafer is washed off, and then a semi-insulating ZnO thin film is formed 3 formed on the entire surface of the wafer (see 3B ). This step of forming a zinc oxide semiconductor thin film is very important and will therefore be described in detail below. It is conventionally known that zinc oxide has a piezoelectric effect, and it is suggested that zinc oxide has potential for use in Ultra has violet LEDs and exiton lasers. Therefore, zinc oxide is actively investigated by various research institutes as an important material for a next generation semiconductor light emitting device. However, formation of a zinc oxide semiconductor thin film capable of exhibiting band-edge PL emission on silicon has been considered to be very difficult. This is because it is necessary to make a growth temperature high in order to obtain a good crystallinity (eg, 600 ° C or higher). This promotes not only the oxidation of a silicon surface but also the occurrence of transients due to lattice distortion, and therefore it is impossible to grow a good crystalline film. In order to solve such a problem, an attempt to grow zinc oxide on a buffer layer formed on silicon to play a role as an intermediate layer has been generally performed (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-44499 and 2003- 165793). In this case, a silicon nitride film or a calcium fluoride film is provided at the interface between silicon and zinc oxide, which is not preferable from the viewpoint of using the properties of a heterojunction between silicon and zinc oxide. Under these circumstances, a device using a zinc oxide / silicon heterostructure is not yet in practical use.

Der Erfindung der vorliegenden Erfindung hat eine gründliche Studie durchgeführt und hat als Ergebnis gefunden, dass es durch Verwendung einer HF-Sputtervorrichtung möglich ist, einen ausgezeichneten kristallinen Dünnfilm auf Silizium mit einer geringen Wachstumsrate von etwa 50 Å/m unter Bedingungen einer Sauerstoffatmosphäre zu bilden, wodurch es möglich wird, die Bildung von Sauerstoffdefekten zu verhin- dern, und einer Temperatur, die nicht immer hoch sein muss und so niedrig wie etwa 300°C oder weniger sein kann, bei der es weniger wahrscheinlich ist, dass ein Oxidfilm auf Silizium wächst. Der unter den vorgenannten Wachstumsbedingungen erhaltene Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm ist halb isolierend. 4 zeigt ein PL-Emissionsspektrum eines Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms, der von dem vorliegenden Erfinder gebildet wurde, und 5 zeigt ein Röntgenstrahlen-Beugungsdiagramm des Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms. Wie aus 4 ersichtlich ist, zeigt der Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm eine klare Bandkantenemission und eine Wellenlänge von 375 nm, und wie aus dem Röntgenstrahlen-Beugungsdiagramm nach 5 ersichtlich ist, hat der Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm eine ausgezeichnete C-Achsen-Orientierung. Ein derartiger ausgezeichneter halbisolierender ZnO-Dünnfilm 3 wird auf der gesamten Oberfläche des Wafers gebildet, wie in 3B gezeigt ist. Zu dieser Zeit braucht die Sputtervorrichtung nicht immer verwendet zu werden. Der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 kann auch gebildet werden beispielsweise durch Verwendung einer MBE-Vorrichtung oder einer Laserablationsvorrichtung unter optimalen Bedingungen.The invention of the present invention has made a thorough study and as a result has found that by using an RF sputtering apparatus, it is possible to form an excellent crystalline thin film on silicon at a low growth rate of about 50 Å / m under conditions of an oxygen atmosphere. whereby it becomes possible to prevent the formation of oxygen defects and a temperature which does not always have to be high and may be as low as about 300 ° C or less, where an oxide film is less likely to grow on silicon , The zinc oxide semiconductor thin film obtained under the above growth conditions is semi-insulating. 4 FIG. 12 shows a PL emission spectrum of a zinc oxide semiconductor thin film formed by the present inventor, and FIG 5 Fig. 10 shows an X-ray diffraction pattern of the zinc oxide semiconductor thin film. How out 4 As can be seen, the zinc oxide semiconductor thin film exhibits a clear band edge emission and a wavelength of 375 nm, and as shown in the X-ray diffraction pattern 5 As can be seen, the zinc oxide semiconductor thin film has excellent C-axis orientation. Such an excellent semi-insulating ZnO thin film 3 is formed on the entire surface of the wafer as in 3B is shown. At this time, the sputtering device does not always need to be used. The semi-insulating ZnO thin film 3 may also be formed, for example, by using an MBE device or a laser ablation device under optimal conditions.

Wie in 3C gezeigt ist, wird der in dem in 3B gezeigten Herstellungsschritt gebildete halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 in eine gewünschte Form geätzt (z.B. so, dass er leicht mit dem Oxidfilmmuster überlappt wird). Dann wird der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 vorzugsweise einem Glühen bei einer Temperatur, bei der eine Aufrauung seiner Oberfläche nicht stattfindet, unterzogen, um die Schnittstelle zwischen Silizium und Zinkoxid zu stabilisieren und die sich aus einem pn-Übergang ergebenden Eigenschaften wie einen Leckstrom zu verbessern. Durch Verwendung eines derart einfachen Prozesses wie in den 3A bis 3C gezeigt ist, ist es möglich, eine Inversionsschicht 4 vom p-Typ in dem oberen Teil des Siliziums 1 vom n-Typ, der in Kontakt mit dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 ist, zu bilden, und die so gebildete Inversionsschicht 4 vom p-Typ existiert konstant als ein Lichtempfangsbereich.As in 3C is shown in the in 3B As shown in the manufacturing step formed semi-insulating ZnO thin film 3 etched into a desired shape (eg, such that it is easily overlapped with the oxide film pattern). Then, the semi-insulating ZnO thin film becomes 3 preferably undergoes annealing at a temperature where roughening of its surface does not occur to stabilize the interface between silicon and zinc oxide and to improve the properties resulting from a pn junction, such as a leakage current. By using such a simple process as in the 3A to 3C it is possible to have an inversion layer 4 p-type in the upper part of the silicon 1 n-type in contact with the semi-insulating ZnO thin film 3 is to form, and the inversion layer thus formed 4 p-type exists constantly as a light receiving area.

6A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Eigenschaften des so gebildeten pn-Übergangs mit einer Inversionsschicht als einem Bereich vom p-Typ zeigt. Der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 ist nahezu isolierend, und daher ist es schwierig, einen guten ohmschen Kontakt zu erhalten, wenn nicht der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 mit Verunreinigungen vom p-Typ dotiert ist. Aus diesem Grund wurde das in 6A gezeigte Diagramm gemacht durch Messen der Eigenschaften des pn-Übergangs mit einem Spurenabtaster 11 nach den folgenden Operationen: wie in 6B gezeigt ist, wurde die Fotodiode auf einer Saugstufe 13 angeordnet, und eine Sondennadel 12 beispielsweise aus Wolfram wurde direkt in Kontakt mit dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 gebracht, und die Isolierung des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 wurde beispielsweise durch Anlegen einer Vorwärtsvorspannung von etwa mehreren bis 50 V hieran gebrochen, um den halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 zwangsweise in Vorwärtsleitung zu bringen. Wie aus 6A ersichtlich ist, zeigte die Fotodiode ausgezeichnete Gleichrichtungseigenschaften wie in dem Fall eines herkömmlichen pn-Übergangs, der durch Dotieren gebildet ist, trotz des Umstandes, dass die Isolierung des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 unterbrochen wurde, um ihn zum Leiten zu bringen. Dies ergibt sich daraus, dass die Inversionsschicht 4 vom p-Typ nicht durch ein externes elektrisches Feld oder Polarisation gebildet wird, sondern durch Valenzbanddiskontinuität, und daher konstant und stabil existieren kann. Weiterhin zeigt, wie aus 6A ersichtlich ist, wenn die als ein Lichtempfangsbereich dienende Inversionsschicht 4 vom p-Typ mit Licht bestrahlt wurde, die Fotodiode ein gutes Ansprechen auf Licht, obgleich die Eigenschaften der Fotodiode leicht geändert waren aufgrund beispielsweise von Kontaktwiderstand. 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für Spektralempfindlichkeitseigenschaften der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 6A Fig. 15 is a diagram showing an example of the properties of the thus-formed pn junction having an inversion layer as a p-type region. The semi-insulating ZnO thin film 3 is almost insulating, and therefore it is difficult to obtain a good ohmic contact, if not the semi-insulating ZnO thin film 3 doped with p-type impurities. Because of this, the in 6A Diagram made by measuring the properties of the PN junction with a trace scanner 11 after the following operations: as in 6B is shown, the photodiode was on a suction stage 13 arranged, and a probe needle 12 For example, tungsten has been directly in contact with the semi-insulating ZnO thin film 3 brought, and the isolation of the semi-insulating ZnO thin film 3 was broken, for example, by applying a forward bias of about several to 50 V thereto to the semi-insulating ZnO thin film 3 Forcibly bring forward. How out 6A As is apparent, the photodiode exhibited excellent rectification characteristics as in the case of a conventional pn junction formed by doping, despite the fact that the insulation of the ZnO semi-insulating thin film 3 was interrupted to bring him to lead. This results from the fact that the inversion layer 4 p-type is not formed by an external electric field or polarization, but by valence band discontinuity, and therefore can exist constantly and stably. Furthermore shows how out 6A is apparent when serving as a light receiving region inversion layer 4 When the p-type light was irradiated with light, the photodiode had a good response to light, although the characteristics of the photodiode were slightly changed due to, for example, contact resistance. 7 is a diagram that is an example of spectral sensation characteristics of the photodiode according to the first embodiment of the present invention.

Wie aus dem in 7 gezeigten Diagramm ersichtlich ist, nimmt die Empfindlichkeit einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode in einem Kurzwellenbereich schnell ab, während die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung eine Empfindlichkeit von 0,3 A/W oder höher (ein Quantenumwandlungs-Wirkungsgrad von 95% oder höher) für blauviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm zeigt. Zusätzlich zeigt die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung Spektralcharakteristiken, die im Wesentlichen parallel zu einer geraden Linie entsprechend einem Quantenwirkungsgrad von 100 unter Bestrahlung mit Licht mit einer langen Wellenlänge, während eine Interferenz durch Zinkoxid und Luft stattfindet, und hat einen sehr hohen Quantenwirkungsgrad. Dies ergibt sich dadurch, dass Zinkoxid für Licht mit Licht mit einer Wellenlänge, die eine Bandkanten-Wellenlänge von 375 nm überschreitet, durchsichtig ist, und anders als bei der herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode wird die Lebensdauer von durch Licht erzeugten Trägern nicht durch durch die Verunreinigungsdotierung erzeugte Akzeptorionen beeinträchtigt. Zusätzlich zeigt, wie aus 7 ersichtlich ist, die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung hohe Empfindlichkeitseigenschaften unter Bestrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge, die kürzer als eine Bandkanten-Wellenlänge 375 nm ist, da der Zinkoxid-Dünnfilm solches Licht absorbiert.As from the in 7 As shown in the diagram, the sensitivity of a conventional impurity-doped photodiode in a short-wave region rapidly decreases, while the photodiode according to the present invention has a sensitivity of 0.3 A / W or higher (a quantum conversion efficiency of 95% or higher). for blue-violet light with a wavelength of 400 nm. In addition, the photodiode according to the present invention exhibits spectral characteristics substantially parallel to a straight line corresponding to a quantum efficiency of 100 under irradiation with light having a long wavelength while interfering with zinc oxide and air, and has a very high quantum efficiency. This is because the zinc oxide is transparent to light having light having a wavelength exceeding a band edge wavelength of 375 nm, and unlike the conventional impurity-doped photodiode, the lifetime of light-generated carriers is not improved the impurity doping impairs generated acceptor ions. Additionally shows how out 7 As can be seen, the photodiode according to the present invention has high sensitivity characteristics under irradiation with light having a wavelength shorter than a band edge wavelength of 375 nm because the zinc oxide thin film absorbs such light.

Wie vorstehend mit Bezug auf 6B beschrieben ist, ist es in dem Fall der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erforderlich, den halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 zwangsweise in einer Richtung von der Oberseite zur Unterseite des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 in Leitung zu bringen, was nicht immer bevorzugt ist. Weiterhin ist es auch erforderlich, einen Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 in den p-Typ zu bringen, um eine ohmsche Elektrode von dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 zu erhalten, was gegenwärtig sehr schwierig ist.As above with reference to 6B is described, it is necessary in the case of the photodiode according to the first embodiment of the present invention, the semi-insulating ZnO thin film 3 forcibly in a direction from the top to the bottom of the semi-insulating ZnO thin film 3 to bring in line, which is not always preferred. Furthermore, it is also necessary to use a part of the semi-insulating ZnO thin film 3 to bring the p-type to an ohmic electrode of the semi-insulating ZnO thin film 3 what is currently very difficult to obtain.

Die 8A bis 8C zeigen eine Fotodiode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem durch Verunreinigungen dotierten Bereich, der so ausgebildet ist, dass er mit einer als Lichtempfangsbereich dienenden Inversionsschicht vom p-Typ überlappt. Wie in 8A gezeigt ist, wird ein halbisolierender ZnO-Dünnfilm 3 auf Silizium 1 vom n-Typ gebildet, eine Inversionsschicht 4 vom p-Typ wird als ein Lichtempfangsbereich gebildet, und die Inversionsschicht 4 vom p-Typ hat einen überlappenden Bereich 7 mit einem durch Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich 6, wodurch dem mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich 6 ermöglicht wird, als ein ohmscher Kontaktbereich zu wirken. 8B ist eine Draufsicht, die schematisch die Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 8A ist ein entlang der X-X' in 8B genommener Querschnitt. 8C ist eine vergrößerte Ansicht eines in 8A gezeigten Teils C. Die Arbeitsweise der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 8C beschrieben.The 8A to 8C show a photodiode according to a second embodiment of the present invention having an impurity doped region which is formed so as to overlap with a p-type inversion layer serving as a light receiving region. As in 8A is shown, a semi-insulating ZnO thin film 3 on silicon 1 formed of n-type, an inversion layer 4 The p-type is formed as a light receiving area, and the inversion layer 4 p-type has an overlapping area 7 with a region doped by p-type impurities 6 , whereby the region doped with p-type impurities 6 is allowed to act as an ohmic contact area. 8B FIG. 10 is a plan view schematically showing the photodiode according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8A is one along the XX 'in 8B taken cross-section. 8C is an enlarged view of an in 8A The operation of the photodiode according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG 8C described.

Wenn Licht mit einer relativ langen Wellenlänge wie rotes Licht in die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung eintritt, dringt das Licht tief in das Siliziumsubstrat bis zu einer Tiefe von mehreren zehn Mikron ein wie in dem Fall einer herkömmlichen Fotodiode, so dass Elektronen-Löcher-Paare erzeugt werden. Dann bewegen sich, wie in 8C gezeigt ist, Löcher als Minoritätsträger zu der Inversionsschicht 4 vom p-Typ entlang eines elektrischen Feldes. Die Löcher werden in der Inversionsschicht vom p-Typ Majoritätsträger und bilden einen Lochstrom. Da die Inversionsschicht 4 vom p-Typ durch die Inversion von Silizium vom n-Typ mit hohem Widerstand, das mit einer geringen Menge von Verunreinigungen dotiert ist, gebildet ist, wird ein Zerstreuen von Trägern durch Donatorionen unterdrückt. Zusätzlich findet, da Akzeptorionen zum Bilden eines Bereichs vom p-Typ nicht vorhanden sind, ein Zerstreuen von Trägern durch Akzeptorionen nicht statt. Wie in 2C gezeigt ist, verhalten sich die Löcher, da die Löcher in einer Potentialbarriere in einer Richtung senkrecht zu der Heteroschnittstelle zwischen der halbisolierenden ZnO-Dünnschicht 3 und dem Silizium vom n-Typ eingegrenzt sind, wie zweidimensionale Löcher, die sich nur in einer Ebene parallel zu der Grenzfläche bewegen können. Als eine Folge können die Löcher eine viel höhere Mobilität als solche in einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Stiftfotodiode haben, wodurch ein schnelles ansprechen ermöglicht wird.When light having a relatively long wavelength such as red light enters the photodiode according to the present invention, the light penetrates deeply into the silicon substrate to a depth of several tens of microns as in the case of a conventional photodiode, so that electron-hole pairs be generated. Then move, as in 8C shown holes as minority carrier to the inversion layer 4 p-type along an electric field. The holes become majority carriers in the p-type inversion layer and form a hole flow. Because the inversion layer 4 of the p-type is formed by the inversion of high-resistance n-type silicon doped with a small amount of impurities, scattering of carriers by donor ions is suppressed. In addition, since acceptor ions are not present for forming a p-type region, scattering of carriers by acceptor ions does not take place. As in 2C As shown, the holes behave in a potential barrier in a direction perpendicular to the heterojunction between the semi-insulating ZnO thin film 3 and the n-type silicon such as two-dimensional holes that can move only in a plane parallel to the interface. As a result, the holes can have much higher mobility than those in a conventional impurity doped pin photodiode, allowing for fast response.

Wenn andererseits Licht mit einer kurzen Wellenlänge wie blaues Licht in die Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eintritt, empfängt wie in dem Fall der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die als ein Lichtempfangsbereich dienende Inversionsschicht vom p-Typ direkt das durch den halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3, der für sichtbares Licht durchlässig ist, hindurchgehende Licht. anders als bei einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode findet, da das Licht von dem Lichtempfangsbereich empfangen wird, der nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen dotiert ist, eine Zerstreuung von Trägern durch Akzeptorionen nicht statt, und daher kann eine sehr hohe Lichtempfangsempfindlichkeit, die nahezu gleich einem theoretischen Wert ist, erzielt werden. Zusätzlich wird, wie in dem Fall von Infrarotlicht, ein durch Empfangen von blauem Licht erzeugter Lochstrom nicht durch Akzeptorionen in der Inversionsschicht 4 vom p-Typ zerstreut, da Akzeptorionen nicht vorhanden sind (d.h., zweidimensionaler Locheffekt), wodurch ein schnelles Ansprechen ermöglicht wird.On the other hand, when light having a short wavelength such as blue light enters the photodiode according to the second embodiment, as in the case of the photodiode according to the first embodiment, the p-type inversion layer serving as a light-receiving region directly receives the through the semi-insulating ZnO thin film 3 which is transparent to visible light, passing light. Unlike a conventional impurity-doped photodiode, since the light is received by the light-receiving region which is not doped with any impurities, scattering of carriers by acceptor ions does not occur, and therefore, a very high light-receiving sensitivity almost equal to one theoretical value is to be achieved. In addition, as in the case of infrared light, a by receiving not produced by acceptor ions in the inversion layer 4 p-type because acceptor ions are absent (ie, two-dimensional hole effect), allowing fast response.

9 zeigt die Frequenzcharakteristiken einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode und der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bestrahlung mit Laserlicht. In dieser Hinsicht ist festzustellen, dass die herkömmliche – mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode und die Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung denselben Lichtempfangs-Durchmesser von 600 μΦ und dieselben Waferspezifikationen haben. Die herkömmliche, mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode hat eine geringe Empfindlichkeit für blaues Licht, und daher zeigt 9 die Frequenzcharakteristiken der herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode unter Bestrahlung mit einem roten Laser (650 nm), und zu dieser Zeit ist eine Frequenz, bei der das Ausgangssignal um 3 dB reduziert ist, d.h., fc gleich 180 MHz. Andererseits zeigt die Fotodiode mit einer Inversionsschicht vom p-Typ, die unter Verwendung von Zinkoxid gebildet ist, wenn sie mit einem blauvioletten Laser (405 nm), einem roten Laser (650 nm) und einem Infrarotlaser (780 nm) bestrahlt wird, dieselben Frequenzcharakteristiken, wie durch dieselbe Kurve gezeigt werden kann, und fc ist beträchtlich auf 900 MHz erhöht. Wie vorstehend beschrieben ist, sind die herkömmliche, mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode und die Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beträchtlich unterschiedlich hinsichtlich der Frequenzcharakteristiken trotz des Umstands, dass sie dieselben Waferspezifikationen haben, da die Mobilität von Löchern in dem Bereich der Inversionsschicht vom p-Typ der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hoch ist. 9 Fig. 10 shows the frequency characteristics of a conventional impurity-doped photodiode and the photodiode according to the second embodiment of the present invention under irradiation with laser light. In this regard, it should be noted that the conventional impurity-doped photodiode and the photodiode according to the second embodiment of the present invention have the same light receiving diameter of 600 μΦ and the same wafer specifications. The conventional impurity-doped photodiode has low sensitivity to blue light, and therefore shows 9 the frequency characteristics of the conventional impurity-doped photodiode under irradiation with a red laser (650 nm), and at this time is a frequency at which the output is reduced by 3 dB, ie, fc is equal to 180 MHz. On the other hand, the photodiode having a p-type inversion layer formed by using zinc oxide when irradiated with a blue-violet laser (405 nm), a red laser (650 nm), and an infrared laser (780 nm) exhibits the same frequency characteristics as can be shown by the same curve, and fc is considerably increased to 900 MHz. As described above, the conventional impurity-doped photodiode and the photodiode according to the second embodiment are considerably different in frequency characteristics despite being the same wafer specifications, since the mobility of holes in the region of the p-type inversion layer is the same Photodiode according to the second embodiment is high.

Die Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat dieselben Spektralcharakteristiken wie die Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung (siehe 7). Auch in dem Fall der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird Ultraviolettlicht mit einer Wellenlänge von weniger als einer Bandkanten-Wellenlänge von 375 nm von der Zinkoxidschicht empfangen, und dann wird eine fotoelektrische Umwandlung mit hoher Effizienz durchgeführt. Wie vorstehend beschrieben ist, kann die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung ein schnelles Ansprechen erzielen, während sie ein Lichtempfangsspektrum in einem weiten Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Infrarot hat.The photodiode according to the second embodiment of the present invention has the same spectral characteristics as the photodiode according to the first embodiment of the present invention (see 7 ). Also in the case of the photodiode according to the second embodiment of the present invention, ultraviolet light having a wavelength of less than a band edge wavelength of 375 nm is received by the zinc oxide layer, and then high efficiency photoelectric conversion is performed. As described above, the photodiode according to the present invention can achieve a fast response while having a light-receiving spectrum in a wide wavelength region from ultraviolet to infrared.

Bei der in 8 gezeigten Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierte Bereich 6 in einem begrenzten Sektor ausgebildet. Jedoch ist in einem Fall, in welchem die Fläche eines Lichtempfangsbereichs groß ist, wie in 10 gezeigt ist (die eine Fotodiode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung illustriert), der mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierte Bereich 6 vorzugsweise ringförmig so ausgebildet, dass er den äußeren Bereich der Inversions schicht vom p-Typ umgibt, da in der Mitte der Inversionsschicht 4 vom p-Typ vorhandene Träger in einer kürzeren Zeit zu der Elektrode übertragen werden können und daher die Ansprechgeschwindigkeit höher wird.At the in 8th The photodiode shown in the second embodiment of the present invention is the p-type impurity doped region 6 trained in a limited sector. However, in a case where the area of a light receiving area is large, as in FIG 10 (illustrating a photodiode according to a third embodiment of the present invention) of the p-type impurity doped region 6 preferably annularly formed so that it surrounds the outer region of the inversion layer of p-type, since in the middle of the inversion layer 4 p-type carriers can be transmitted to the electrode in a shorter time and hence the response speed becomes higher.

11 illustriert eine Fotodiode gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die so ausgebildet ist, dass sie verhindert, dass die Inversionsschicht 4 vom p-Typ destabilisiert wird aufgrund beispielsweise von Polarisation des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3. Da ZnO piezoelektrisch ist, kann berücksichtigt werden, dass, wenn der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 isoliert, er sehr leicht polarisiert wird. Um die Polarisation des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 zu verhindern, wird der Widerstand des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 teilweise reduziert, um einen n⁺-Bereich 9 mit einem Widerstand von 1 kΩ/O oder weniger vorzusehen, und eine Anodenelektrode 8 wird so gebildet, dass der n⁺-Bereich 9 über die Anodenelektrode 8 mit dem mit Verunreinigungen vom p-Typ-dotierten Bereich 6 verbunden werden kann. Der n⁺-Bereich 9 mit einem geringen Widerstand kann gebildet werden durch Dotieren beispielsweise mit Al oder Ga oder durch Reduktion. 11 illustrates a photodiode according to a fourth embodiment of the present invention, which is designed so that it prevents the inversion layer 4 is destabilized due to, for example, polarization of the semi-insulating ZnO thin film 3 , Since ZnO is piezoelectric, it can be considered that when the semi-insulating ZnO thin film 3 isolated, it is very slightly polarized. To the polarization of the semi-insulating ZnO thin film 3 to prevent the resistance of the semi-insulating ZnO thin film 3 partially reduced to an n ⁺ area 9 with a resistance of 1 kΩ / 0 or less, and an anode electrode 8th is formed so that the n ⁺ region 9 via the anode electrode 8th with the p-type impurity doped region 6 can be connected. The n ⁺ region 9 with a low resistance can be formed by doping with, for example, Al or Ga or by reduction.

Eine derartige Struktur ermöglicht es, das Oberflächenpotential des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 zu fixieren, wodurch Rückwärtscharakteristiken stabilisiert werden. Dieser Effekt wird mit Bezug auf Tabelle 1 beschrieben. Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für Charakteristiken der Fotodiode mit dem Wert eines Dunkelstroms zu der Zeit, zu der eine Rückwärtsspannung V_R 5 V betrug. Wenn das elektrische Potential des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 nicht fixiert wurde, war ein Dunkelstrom so groß wie 10 nA oder höher. Andererseits war, wenn das elektrische Potential des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 auf ein anodisches Potentials fixiert wurde, ein Dunkelstrom so klein wie etwa 10 pA, d.h., ein Dunkelstrom hatte beträchtlich um einen Faktor von etwa 1000 abgenommen. Dasselbe gilt für eine Rückwärtsstehspannung. Eine Fotodiode, deren n-Substrat einen spezifischen Widerstand von 1,5 kΩ-cm betrug, wurde experimentell hergestellt. Wenn das elektrische Potential nicht fixiert wurde, variierte eine Rückwärtsstehspannung (BV_R) stark innerhalb eines Bereichs von 5 bis 150 V. Andererseits wurde, wenn das elektrische Potential fixiert wurde, eine Rückwärtsstehspannung bei etwa 150 V stabilisiert, d.h., ursprünglichen Leistungsvermögensdaten. Tabelle 1 VR = 5V

Such a structure enables the surface potential of the semi-insulating ZnO thin film 3 to fix, whereby backward characteristics are stabilized. This effect will be described with reference to Table 1. Table 1 shows an example of characteristics of the photodiode with the value of a dark current at the time when a reverse voltage V _{R was} 5V. When the electric potential of the semi-insulating ZnO thin film 3 was not fixed, a dark current was as large as 10 nA or higher. On the other hand, when the electric potential of the semi-insulating ZnO thin film was 3 dark current was as small as about 10 pA, that is, a dark current had decreased considerably by a factor of about 1,000. The same applies to a reverse withstand voltage. A photodiode whose n-type substrate had a resistivity of 1.5 kΩ-cm was experimentally fabricated. When the electric potential was not fixed, a reverse standing voltage (BV _R ) greatly varied within a range from 5 to 150 V. On the other hand, when the electric potential was fixed, a reverse standing voltage was stabilized at about 150 V, that is, original performance data. Table 1 VR = 5V

12A ist eine Querschnittsansicht einer Fotodiode gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die Silizium 21 vom p-Typ verwendet. Wie in 12A gezeigt ist, wird eine Kanalschicht 24 vom n-Typ in dem untersten Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 gebildet. Es kann be rücksichtigt werden, dass die Kanalschicht 24 vom n-Typ durch Banddiskontinuität (ΔEc) zwischen dem halbisolierenden ZnO und Silizium, das als ein Teil D in 2B gezeigt ist, gebildet wird. Ob die Kanalschicht 24 vom n-Typ tatsächlich vorhanden ist oder nicht, kann durch 12B bestimmt werden. 12A FIG. 12 is a cross-sectional view of a photodiode according to a fifth embodiment of the present invention, which is silicon. FIG 21 used by the p-type. As in 12A is shown, a channel layer 24 n-type in the lowest part of the semi-insulating ZnO thin film 3 educated. It can be taken into account that the channel layer 24 of the n-type by band discontinuity (ΔEc) between the semi-insulating ZnO and silicon, represented as a part D in FIG 2 B is shown formed. Whether the channel layer 24 of the n-type actually exists or not, can through 12B be determined.

12B zeigt die V-I-Charakteristiken zwischen mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereichen 26 in 12C. Wie in 12C gezeigt ist, ist die Kanalschicht 24 vom n-Typ den mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereichen 26 vorgesehen. Ein Strom zwischen den mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereichen 26 entspricht einem Strom zwischen einer Source und einer Drain, zwischen denen eine Gate-Elektrode nicht vorhanden ist. Wie aus 12B ersichtlich ist, fließt augenscheinlich ein Kanalstrom. Dies zeigt die Existenz der in dem untersten Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 gebildeten Kanalschicht 24 vom n-Typ an. Wie in 12A gezeigt ist, ist in der Fotodiode entsprechend dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die Silizium vom p-Typ verwendet, die Kanalschicht 24 vom n-Typ in dem untersten Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 gebildet, und das Silizium vom p-Typ liefert eine Struktur wie einen pn-Übergang. Daher kann die Fotodiode gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Fotodiodencharakteristiken haben durch Herausziehen eines Stroms aus den mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereichen 26. 12B Figure 11 shows the VI characteristics between n-type impurity doped regions 26 in 12C , As in 12C is shown is the channel layer 24 n-type regions doped with n-type impurities 26 intended. A current between the regions doped with n-type impurities 26 corresponds to a current between a source and a drain, between which a gate electrode is not present. How out 12B As can be seen, a channel current evidently flows. This shows the existence of those in the lowermost part of the semi-insulating ZnO thin film 3 formed channel layer 24 of the n-type. As in 12A is shown in the photodiode according to the fifth embodiment of the present invention, which uses p-type silicon, the channel layer 24 n-type in the lowest part of the semi-insulating ZnO thin film 3 and the p-type silicon provides a structure such as a pn junction. Therefore, the photodiode according to the fifth embodiment of the present invention can have photodiode characteristics by extracting a current from the n-type impurity doped regions 26 ,

12D zeigt das optische Ansprechen der in 12A gezeigten Fotodiode, das unter Verwendung einer in 12A gezeigten Verbindungsverdrahtung unter Bestrahlung mit einem blauen Laser gemessen wurde. Wie aus 12D ersichtlich ist, zeigt die Silizium vom p-Typ verwendende Fotodiode bessere Charakteristiken als die Silizium vom n-Typ verwendende Fotodiode. Auch in dem Fall der in 12A gezeigten, Silizium vom p-Typ verwendenden Fotodiode ist der Lichtempfangsbereich von dieser nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen dotiert. Daher kann die Silizium vom p-Typ verwendende Diode nahezu dieselbe hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Frequenzeigenschaften wie die Silizium vom n-Typ verwendende und eine Inversionsschicht vom p-Typ aufweisende Fotodiode. Es ist festzustellen, dass auch in dem Fall einer Silizium vom n-Typ verwendenden Fotodiode wie der in 1 gezeigten Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden kann „dass eine Kanalschicht vom n-Typ in dem untersten Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 vorhanden ist, aber Zeichnungen, die eine Silizium vom n-Typ verwendende Fotodiode zeigen, lassen eine derartige Kanalschicht vom n-Typ weg. 12D shows the optical response of the in 12A shown photodiode using a in 12A Compound wiring was measured under irradiation with a blue laser. How out 12D As can be seen, the p-type silicon photodiode exhibits better characteristics than the n-type silicon photodiode. Also in the case of in 12A As shown, the p-type silicon photodiode is not doped with any of the impurities of the light receiving region thereof. Therefore, the p-type silicon-using diode can have almost the same high sensitivity and excellent frequency characteristics as the n-type silicon photodiode having a p-type inversion layer. It should be noted that even in the case of an n-type silicon photodiode like the one shown in FIG 1 The photodiode shown in the first embodiment of the present invention can be considered to have an n-type channel layer in the lowermost part of the ZnO semi-insulating thin film 3 but drawings showing a photodiode employing n-type silicon omit such an n-type channel layer.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEITINDUSTRIAL APPLICABILITY

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Fotodiode, die eine in dem oberen Teil von Silizium vom n-Typ vorgesehene Inversionsschicht vom p-Typ verwendet, vorzusehen, indem ein halbisolierender Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm auf dem Silizium vom n-Typ gebildet wird, und eine Fotodiode, die einen Heteroübergang zwischen Silizium vom p-Typ und einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter verwendet. Diese Fotodioden gemäß der vorliegenden Erfindung haben die folgenden Wirkungen (1) bis (7), wenn sie mit einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode verglichen werden.

(1) Da der Lichtempfangsbereich ohne Dotieren von Silizium vom p-Typ oder Silizium vom n-Typ mit Verunreinigungen gebildet werden kann, werden durch Licht erzeugte Träger nicht durch Akzeptorionen oder Donatorionen zerstreut, und daher kann ein Quantenwirkungsgrad nahe 100 unter Bestrahlung mit blauem Licht erzielt werden.
(2) Da der Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm ultraviolettes Licht absorbiert, kann eine hohe Empfindlichkeit für ultraviolettes Licht erzielt werden.
(3) Da Zinkoxid für Licht für eine Wellenlänge von blauem Licht oder länger durchlässig ist, kann die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung Spektralcharakteristiken entlang einer geraden Linie entsprechend einem Quantenwirkungsgrad von 100 haben.
(4) Wie in (1) bis (3) beschrieben ist, kann die Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung eine hohe Empfindlichkeit für Licht mit einer Wellenlänge in einem weiten Bereich von Ultraviolett bis Infrarot haben.
(5) Wie vorstehend beschrieben ist, werden Träger, da der Lichtempfangsbereich ohne Dotieren von Silizium vom p-Typ und Silizium vom n-Typ mit Verunreinigungen gebildet werden kann, nicht durch Akzeptorionen oder Donatorionen zerstreut und verhalten sich daher wie zweidimensionale Träger. Dies ermöglicht es der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung, viel höhere Frequenzcharakteristiken in einem Wellenlängenbereich von Blauviolett bis Infrarot im Vergleich zu einer herkömmlichen – mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode zu haben. Insbesondere wurde es als sehr schwierig für eine Fotodiode für einen blauen Laser angesehen, sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch hohe Frequenzcharakteristiken zu haben, aber die vorliegende Erfindung kann ein derartiges Problem lösen und in großem Maße zu einem weit verbreiteten Gebrauch eines blauen Lasers beitragen.
(6) Der Lichtempfangsbereich kann durch einen sehr einfachen Prozess gebildet werden, d.h., durch einfaches Bilden genau desselben halbisolierenden Zinkoxids auf Silizium, ungeachtet dessen, ob das Silizium vom p-Typ oder vom n-Typ ist. Daher kann, wenn Fotodioden mit hohem Leistungsvermögen in einen ID integriert werden, eine sehr hohe Flexibilität erzielt werden ungeachtet des Typs von integrierter Schaltung (z.B. bipolar, CMOS).
(7) Zinkoxid ist nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich, und es ist daher sehr geeignet als ein industrielles Material.

According to the present invention, it is possible to provide a photodiode using a p-type inversion layer provided in the upper part of n-type silicon, by semi-insulating the zinc oxide semiconductor thin film is formed on the n-type silicon, and a photodiode using a heterojunction between p-type silicon and a semi-insulating zinc oxide semiconductor. These photodiodes according to the present invention have the following effects (1) to (7) when compared with a conventional impurity-doped photodiode.

(1) Since the light receiving region can be formed without doping p-type silicon or n-type silicon with impurities, carriers generated by light are not scattered by acceptor ions or donor ions, and hence a quantum efficiency close to 100 under irradiation of blue light be achieved.
(2) Since the zinc oxide semiconductor thin film absorbs ultraviolet light, high sensitivity to ultraviolet light can be achieved.
(3) Since zinc oxide is permeable to light for a wavelength of blue light or longer, the photodiode according to the present invention can have spectral characteristics along a straight line corresponding to a quantum efficiency of 100.
(4) As described in (1) to (3), the photodiode according to the present invention can have a high sensitivity to light having a wavelength in a wide range of ultraviolet to infrared.
(5) As described above, since the light receiving region can be formed without doping p-type silicon and n-type silicon with impurities, carriers are not scattered by acceptor ions or donor ions, and thus behave like two-dimensional carriers. This enables the photodiode according to the present invention to have much higher frequency characteristics in a wavelength range of blue-violet to infrared compared to a conventional impurity-doped photodiode. In particular, it has been considered very difficult for a blue laser photodiode to have both high sensitivity and high frequency characteristics, but the present invention can solve such a problem and greatly contribute to widespread use of a blue laser.
(6) The light receiving area can be formed by a very simple process, that is, by simply forming exactly the same semi-insulating zinc oxide on silicon regardless of whether the silicon is p-type or n-type. Therefore, when photodiodes with high performance are integrated into an ID, very high flexibility can be achieved regardless of the type of integrated circuit (eg bipolar, CMOS).
(7) Not only is zinc oxide inexpensive, it is also environmentally friendly and therefore it is very suitable as an industrial material.

Zusammenfassung:Summary:

Eine Fotodiode, die eine Herabsetzung der Empfindlichkeit in einem Kurzwellenlängenbereich wie Blau eliminiert, ein durch Dotieren bedingtes unvermeidbares Problem, löst eine Ansprechverringerung durch das Zerstreuen von Akzeptorionen von Verunreinigungen aufgrund des Dotierens von Verunreinigungen zur gleichen Zeit, und hat eine sehr hohe Empfindlichkeit und ein sehr schnelles Ansprechen in einem UV-IR-Bereich. Eine Fotodiode mit einem Heteroübergang zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und Silizium und grundsätzlich Silizium (1) vom n-Typ und einen auf dem Silizium vom n-Typ gebildeten halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm (3) aufweisend, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium vom n-Typ einen Kathodenbereich bildet und die Bildung eines halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms eine Inversionsschicht (4) vom p-Typ in dem oberen Bereich des Siliziums vom n-Typ in Kontakt mit dem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm erzeugt, wobei die Inversionsschicht vom p-Typ einen Fotoerfassungsbereich und einen Anodenbereich bildet.A photodiode which eliminates a reduction in sensitivity in a short wavelength region such as blue, an unavoidable problem caused by doping, solves a reduction in response by scattering acceptor ions of impurities due to impurity doping at the same time, and has a very high sensitivity and a very high sensitivity fast response in a UV-IR range. A photodiode having a heterojunction between a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and silicon and basically silicon ( 1 n-type semiconductor thin film and a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film formed on n-type silicon ( 3 ), characterized in that the n-type silicon forms a cathode region, and the formation of a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film forms an inversion layer ( 4 ) of the p-type in the upper portion of the n-type silicon in contact with the semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film, wherein the p-type inversion layer forms a photo-detecting area and an anode area.

Claims

Photodiode with a heterojunction between a semi-insulating Zinc oxide semiconductor thin film and Silicon, which comprises N-type silicon; and one semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film, formed on the n-type silicon, wherein the silicon n-type serves as a cathode region and in its upper part contains a p-type inversion layer formed by the contact between the n-type silicon and the semi-insulating Zinc oxide semiconductor thin film, formed on the n-type silicon, wherein the inversion layer of p-type serves as a light receiving area and an anode area.

A photodiode having a heterojunction between a semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and silicon according to claim 1, wherein the p-type inversion layer serving as a light-receiving region has an overlapping surface with a p-type impurity doped region serving as an ohmic Area for the light receiving area is used.

Photodiode with a heterojunction between a semi-insulating Zinc oxide semiconductor thin film and The silicon of claim 2, wherein the semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film is partially is formed from zinc oxide with low resistance and in which the Zinc oxide with low resistance with the with impurities of p-type doped region over one for the zinc oxide formed low resistance electrode connected is.

Photodiode with a heterojunction between a semi-insulating Zinc oxide semiconductor thin film and Silicon, which comprises P-type silicon; and one on the p-type silicon formed semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film, wherein the semi-insulating zinc oxide semiconductor thin film and the p-type silicon forms a heterojunction therebetween, serving as a light receiving area, the light receiving area an overlapping one area with impurities formed in the p-type silicon n-type doped region has to extract a photocurrent from this.